高溫工具用合金的製作方法

2023-05-03 15:46:41 1

高溫工具用合金的製作方法
【專利摘要】在鋼的半固態成型中，熱疲勞是限制模具服役壽命的主要因素，因為被成型的原料具有糊狀特性。已開發出一種新型合金，其比任何其它合金都更耐熱疲勞。在該新型合金中，司太立合金中的共晶碳化物被枝晶間的富鉬金屬間化合物顆粒所取代。經過在模擬的鋼的半固態成形工藝環境下測試，這種新型合金與司太立6型合金相比，提供至少長3倍的服役壽命，並被認為是最理想的。該新型合金的優異性能是由於其優異的抗氧化性和在高溫下的耐軟化性，以及其鈷基基體中不含硬而脆的碳化物，所述碳化物對裂紋擴展過程產生負面影響。
【專利說明】局溫工具用合金
[0001]概述
[0002]能夠承受加工條件的工具材料，才會被用於在成型操作中。在高溫成型操作的模具中使用的工具材料必須能夠承受高溫、相應溫度下的機械載荷和熱載荷、氧化作用以及強度的損失。本發明提供一種用於鋼的半固態加工的新型工具材料，所述的半固態加工是一種具有吸引力的近淨成形工藝(near-net process),其由於缺少合適的模具材料至今仍未被商業化。
[0003]用於鋼的半固態成型的模具材料必須承受高溫下的熱-機械循環、磨損和氧化。相對於至今仍被選擇並廣泛使用的鈷基合金材料，本發明所述的工具材料的服役壽命提高了 3倍。因此，它對於生產鍛造鋼件是一種非常有吸引力的材料。無論是作為模具材料還是硬化面合金，本發明所述的材料都為鋼的半固態加工提供了一個重要機遇，所述的半固態加工是一種具有吸引力的近淨成形工藝，其由於缺少合適的模具材料至今仍未商業化。
現有技術
[0004]模具是一個非常關鍵的問題，因為模具組件佔了塑性成型加工之部件成本的五分之一 [I]。用於鋼件半固態鍛造的模具是面臨最苛刻條件的模具之一 [2-5]。從本質上看，由熱循環產生的應力是限制壽命的主要因素，由於成型模具中待成型的原料的糊狀特徵，其機械應力是有限的[6]。
[0005]熱作模具鋼並不適合所有用於鋼的半固態成形的模具，儘管事實上它們從成本的角度看非常有吸引力[7-15]。
[0006]在高溫模具應用中，鈷基合金是很有吸引力的候選，因為其在很寬的溫度範圍內具有優異的性能[16-22]。司太立6(Stellite6)，一種廣泛使用的鈷基合金，可以用作模具材料或硬面化合金，其在現有技術中已經展示出其服役壽命相對於熱作模具鋼提高了 3倍[23，24]。然而，分散在鐵素體枝晶臂之間的硬而脆的碳化物在裂紋擴展中起到了關鍵的作用，並導致了裂紋擴展速率增加。另外發現在高溫磨損試驗中碳化物更易於氧化，並且由於磨損率提高而破壞鈷基司太立合金的耐磨性[25]。鈷基合金的高成本是限制它們廣泛使用的主要障礙。
[0007]發明的詳細說明
[0008]本發明開發了一種適於鋼的半固態成型的新型鈷基合金。考慮到司太立合金中碳化物對高溫下熱循環裂紋擴展的負面影響，這種新型的合金被設計成不含有碳。本發明的另一個不同於同類合金的關鍵特性是其鐵含量高得多(高達12重量％ )。
[0009]該組分的調整是為了解決在表面硬化操作中下層鋼基體中的鐵對表面硬化層的稀釋(dilut1n)。
[0010]這樣做的另一個動機是顯著降低鈷基合金的成本。
[0011]本發明的所述合金不含碳。此外，它的鐵含量遠高於同類合金。該特徵不僅在成本方面改進，而且解決了模具鋼表面硬化過程中常遇到的稀釋效應。
[0012]由於本合金的化學組分，司太立合金中的共晶碳化物被分散在枝晶晶界上的富鑰金屬間化合物顆粒所取代。
[0013]相對於司太立6合金，本發明的合金所製造的模具的服役時間提高了 3倍，所述司太立6合金經測試後被認為是至今在鋼的半固態成型工藝下最好的模具材料。所述新型材料的這種優異性能是由於其在高溫下的耐氧化性和抗回火軟化性，以及沒有損害抗裂紋擴展性的硬而脆的碳化物的富鈷基體。
[0014]本發明的無碳鈷基合金的製備是在真空條件下採用2千克容量的感應爐熔融工業純度的元素。由此獲得的合金熔體隨後在1580-1600°C及真空下鑄入具有氮化硼塗層的永久鑄模。
[0015]本發明所述合金的微結構由鐵素體枝晶固溶基體相和在枝晶間位置的富鑰金屬間化合物顆粒組成(圖1)。
[0016]在本發明所述合金中，司太立合金中的碳化物被富鑰金屬間化合物顆粒所取代。這些顆粒的硬度比基體相硬度高將近兩倍。經測量，基體相和富鑰顆粒的硬度分別是382±52HV 和 700±143HV。
[0017]25mmX25mmX20mm大小的本發明合金樣品,通過熱疲勞試驗確定其性能。考慮現有常規鍛造和半固態鍛造操作中的模具表面溫度，最小和最大的熱循環溫度分別被選擇為450攝氏度和750攝氏度。前一個溫度是模具在塑性成形工藝中被加熱到的溫度，後一個溫度是在鋼的半固態成形鍛造中測量到的模具表面的最高溫度。熱疲勞試驗樣品的正面用氧乙炔焊在30秒內加熱至750攝氏度，並在隨後的30秒內用強風冷卻到450攝氏度(圖2)。熱疲勞試驗樣品的正面和背面的溫度通過固定在各表面上鑽入0.1mm的3mm直徑的孔中的K型熱電偶來測量。一旦在正面檢測到氧化和/或熱疲勞裂紋，就終止熱疲勞試驗。採用光學和體視顯微鏡對熱循環引入的損傷進行定量評價。
[0018]當試樣正面的最小和最大溫度在450和750攝氏度之間循環時，在模具的熱疲勞試樣的背面測量到的最低和最高溫度分別為486和580攝氏度。正面和背面之間的溫度差在整個樣品的截面建立起熱梯度。在典型的熱循環開始的27秒內，試樣的正面和背面之間的溫度差多達192攝氏度。在考慮測得的穿過樣品截面的熱梯度的情況下，熱疲勞試樣正面的最大拉伸應力和壓縮應力被分別估計為472MPa和210MPa。
[0019]如圖3所示，由本發明的合金製得的熱疲勞試樣的正面在熱循環過程中面臨的溫度最高，熱應力也最高。該樣品的抗熱疲勞性顯示其直到13000次熱循環都沒有出現熱疲勞開裂跡象，因此被認為是優異的。在總的13000次熱循環之後，在每500次循環進行的定期檢查期間，在正面檢測到有幾段連接著表面氧化膜的起泡和起皺處的微小的線(圖3a)。這些輕微痕跡在進行了另外的3000次熱循環後才會發展成為真正的熱疲勞裂紋(圖3b)。最後，在總計16000次熱循環後，在兩個表面起皺的交叉處有表面氧化物脫落造成的明顯尺寸的裂紋(圖3b)。在此時終止熱疲勞試驗，並用標準金相做法研究試樣的正面。研究發現，表面裂紋是穿過晶粒的，而非穿過晶界(圖3c)。
[0020]當熱作模具鋼試樣被司太立6合金硬化面塗覆，並在完全相同的條件下進行熱疲勞實驗時，實驗在5000次循環後不得不終止。此時熱疲勞裂紋已經完全穿過了 2mm厚的司太立6表面層。在進行4500次循環後發現開始產生熱疲勞裂紋，並在隨後的定期500次循環檢查期間發現該熱疲勞裂紋在接下來的500次循環中增長了近2_[24]。
[0021] 需要13000次熱循環才會出現熱裂紋，並所形成的熱疲勞裂紋在另一個3000次循環後僅增長1mm。(圖4)。
[0022]這個簡單的對比證據證明本發明合金的裂紋擴展速率比司太立6合金低至少10倍。根據前文可公正地說，本發明所述的合金不僅具有優異的抗熱疲勞裂紋萌發性，並且具有抗熱疲勞裂紋擴展性。本發明合金這種優異的抗裂紋擴展性是由於其微觀結構中沒有脆性的碳化物，該碳化物被發現在司太立6合金中促進裂紋的擴展[24，26]。
[0023]在考慮熱作模具鋼在同樣條件下的表現後，本發明所述的合金在高溫熱循環條件下的特性會更加明顯。由於表面嚴重的氧化以及降解[23，24]，熱作模具鋼在同樣的條件下僅能承受1000次熱循環。在15000次循環後終止熱循環時，在熱作模具鋼試樣的正面上注意到充滿了大量氧化物的深層裂縫。
[0024]直到今天，司太立6合金仍被確定為是最成功的高溫合金，無論是作為模具材料本身或作為焊接覆蓋表層，但其只能在這些循環條件下承受5000次循環以保證正面沒有裂紋[23]。因此很公平地說，相對於司太立6合金和熱作模具鋼，本發明所述的合金的服役壽命分別提高了至少3倍和至少10倍。
[0025]本發明的合金的優異抗熱疲勞性能證明它卓越的抗高溫氧化性能。此抗氧化性是因為合金組分中的鉻，其中鉻優先氧化並在模具表面形成一個緩慢生長的、穩定的保護性氧化物膜[23，24]。通過低角X-射線衍射分析確認在表面上存在這樣的氧化物(Cr2O3)膜。這種穩定的保護性Cr2O3膜在熱循環測試條件下充當了過度氧化的屏障。相對於熱作模具鋼，本發明合金具有低得多的氧化趨勢，這通過熱重分析以及對熱循環樣品的截面的金相分析得到證實。本發明的合金在經歷16000次熱循環後，表面氧化僅是3-4毫米厚，比測得的只有500次熱循環的熱作模具鋼樣品表面將近50毫米的氧化物薄得多。據稱表面上的Cr2O3膜具有熱應力抗性，並保持其完整性。
[0026]另一個可以賦予本發明合金的高耐熱疲勞性的特點是其在高溫下的耐強度損失性。耐軟化是在模具材料必須具備的特性，以保證抗裂紋萌生和裂紋擴展。硬合金保護其表面氧化物，而表面氧化物又反過來保護下面的模具鋼。表面氧化膜抵抗由機械和/或熱應力產生的塑性變形，抗起泡，抗膨脹，以及抵抗最後的開裂和剝落，從而提供保護。因此，表面劣化和損壞是可以避免的，並且開裂由此被延遲。
[0027]本發明合金在高溫下的耐強度損失性已被通過對承受熱循環的模具試樣的截面硬度測量所證實。在前幾千次循環中本發明合金的軟化是非常小的，並局限於表面(圖5)。熱循環之前平均硬度測量為560HV，在前5000次循環後仍然有500HV。此硬度水平意味著本發明合金的抗軟化性相對於熱作模具鋼要高得多，其中熱作模具鋼在同樣的熱循環後測定的硬度低至250HV[23]。隨著熱循環次數的增加，本發明合金的硬度持續平穩下降。然而，本發明的合金即使在16000次熱循環後硬度仍有400HV，比5000次循環後司太立6合金測得的硬度更高。結合前述內容可以很公平地得出以下結論:本發明合金的高抗軟化性對其高耐熱疲勞性有利。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1:本發明的合金的微觀結構:(a)枝晶基體相，(b)富鑰金屬間相。
[0029]圖2:在一個典型的熱循環中測定的試樣的正面和背面的溫度變化。
[0030]圖3:在13000次熱循環後，本發明鈷基合金熱疲勞試樣正面檢測到的表面起泡(a)，(b，c) 16000次循環後表面起泡發展成為熱疲勞裂紋。(a和b)電子掃描及(C)光學顯微鏡顯微照片。
[0031]圖4:16000次熱循環後熱疲勞裂紋的剖面視圖。
[0032]圖5:熱疲勞試樣截面硬度跟隨熱循環次數的變化。
[0033]參考文獻
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【權利要求】
1.一種鈷基合金，其化學組分中不含有碳，並含有9-15重量％的Fe。
2.根據權利要求1所述的合金，其具有鐵素體枝晶基體相和在枝晶晶界處的富鑰金屬間顆粒。
3.根據權利要求1所述的合金，在經過5000次熱疲勞測試後，其軟化程度小於15%。
4.根據權利要求1所述的合金，其含有0.72重量％的S1、1.58重量％的Mn、29.22重量％的Cr、5. 50重量％的舭、3.77重量％的N1、ll.50重量％的Fe，餘量為Co。
【文檔編號】C22C19/07GK104080933SQ201280056717
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年11月16日 優先權日:2011年11月18日
【發明者】O·卡基爾, F·阿拉蓋伊克, Y·比羅爾 申請人:土耳其科學技術研究理事會